钢铁企业的功率因数和无功补偿方式选择

钢铁企业的功率因数和无功补偿方式选择

[摘要]结合钢铁企业的情况,表述钢铁企业功率因数现状和无功补偿方式。 [关键词]钢铁企业 功率因数 无功补偿

中图分类号:TF0文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920035-02

钢铁企业中有大量的感性负荷,因此钢铁企业的自然功率因数比较低,这样造成的影响有:降低了系统发电机的输出有功功率、降低了变电和输电设施的供电能力、增加了供电网络的损耗、增加了输电线路的电压降。鉴于功率因数的高低对发、供、用电设备的充分利用、节约电能和改善电压质量有着重要影响。为了提高用电用户的功率因数并保持其均衡,按原水利电力部、国家物价局(83)水电财字第215号文件中规定,“功率因数标准0.90,试用于160千伏安(千瓦)以上的高压供电工业用户(包括社队工业用户)、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户3200千伏安及以上的电力排灌站…”,并且在以0.90为标准的功率因数调整电费表中,对0.90以上的功率因数减少电费,对0.90以下的功率因数增加电费。由以上可看出,提供功率因数不仅对电力系统,对钢铁企业的经济运行有重大意义。

在考虑提高功率因数时,应首先提高企业用电设备的自然功率因数,当采取设施后还达不到电力部门的要求时,才考虑人工补偿。

一、提高钢铁企业自然功率因数的措施

钢铁企业无功功率消耗,一般感应电机占70%,变压器占20%,线路占10%。因此提供钢铁企业的功率因数,应从降低感应电机无功损耗和降低变压器无功损耗着手: (一)降低感应电机的无功损耗

1.提供电机的负载率,使其接近满载运行。根据感应电机的性能和特性,感应电机的功率因数、效率与负荷率的关系,见图1。

由图1可以看出,感应电机的最高效率,一般在3/4负载至满载期间出现,而功率因数则在满负荷时最高,因此使用适当容量的电机,使其接近满载运行,不但能节约用电,而且可以提高功率因数,降低无功损耗。在钢铁企业中,选择电机容量时,一般是按电机最大出力的情况下,考虑了一定的余度,又将电机额定容量靠上一级的标准容量,因此在实际运行时电机很少运行在满载情况,甚至经常运行在50%负载率或更低的情况。这就需要设计院在设计时就要选择合适的电机,使电机能经济合理地运行。 2.降低轻负载感应电机的电压

感应电机降压运行后,因降低了磁通,无功功率显著减少。不同负载时,改变电机电压对功率因数的影响见图2。由图2可看出,降压运行对电机功率因数的改变具有很明显的改善。但由于电机电压与输出转矩的平方成正比关系,降低电机定子电压后,会使电机的输出转矩降低很多,所以对轻负载电机才能采用这种方式。降低感应电机的电压有两种方式:降低电机的电源电压;改变电机的内部接线。

3.用同步电机代替感应电机

同步电机与感应电机相比,同步电机转速恒定不变,与负载大小没有关系;而且同步电机的功率因数可以调节,能够在cosφ=1的情况下运行;在运行中还可以调节励磁电流,使同步电机在超前功率因数情况下运行,从而改善整个电网的功率因数,这是感应电机不能做到的。 过去由于同步电机的启动问题不能很好解决,而且励磁电流还需要直流电源,因而限制了同步机的应用,随着工业的发展,同步电机采用了异步启动,又采用了可控硅整流装置作为励磁电源,使同步电机的应用广泛起来。在钢铁企业中有一些大型的电动机往往是采用的同步电机,例如:高炉鼓风站的鼓风机、制氧站的氧压机、烧结厂的烧结机等等,这些电机都有不需要调速、负载平稳、且长期运行的特点,采用同步机后能很好地改善钢铁企业的功率因数。 (二)降低变压器的无功损耗

变压器的无功功率损耗包括两个方面:一个是空载无功损耗;另一个是负载无功损耗。要控制变压器的无功损耗必须要做到:避免变压器轻载运行,切除空载运行的变压器。

1.变压器的无功损耗与变压器本身的空载电流和短路阻抗有关,因此为了降低变压器的无功损耗,在选择变压器时,首先应选择低损耗的变压器,其次变压器的有功和无功损耗与变压器的负载率有关,变压器的负载率与功率因数关系见图3。

图3表示变压器的二次侧功率因数维持不变,而负载率变化时,一次侧功率因数的变化情况。可见,负载率越低,通过变压器以后,一次侧功率因数下降得越低。根据国内电网运行经验,为了节约有功损耗,降低无功功率在电网中的环流,提高功率因数,变压器的负载小于30%时,都应更换成较小容量的变压器;变压器的负载率为30%～60%时,经过技术经济比较后,再决定是否需要更换变压器,负载超过60%是正常的,不需要更换。

在钢铁企业中,为了保证电力系统可靠运行,各工艺设施和公辅设施的变压器均按100%备用容量设置,即当一台变压器故障或检修时,其余的变压器能满足100%负荷容量要求,当仅设置2台变压器时,正常运行时每台变压器就只有50%的负载率,有时考虑了扩建的余度,变压器的负载率只有30%～40%是较常见的情况。针对这种情况,经过技术经济比较后,可考虑增加变压器台数,减少变压器容量的方法,来增加变压器的负载率。例如:380V计算负荷为2000kVA,可考虑设置2台2000kVA的变压器或3台1000kVA的变压器。2台2000kVA变压器,正常工作时每台变压器平均分负荷率为50%,而设置3台1000kVA的变压器,正常工作时,每台变压器的平均负荷率为67%。这样提高了负荷率,降低了变压器的无功损耗,还减少了变压器的安装容量,降低了投资。当然,电气接线复杂了,增加了操作的难度。 2.切除空载变压器

有多台变压器并列运行或有多个变电所供电的工矿企业,应尽可能在负载低的时候,如厂休、例假或夜间,适当进行调度,保留必要的变压器,将多余的切除,以节约有功损耗和无功损耗。

综上所述,降低钢铁企业的自然无功损耗,需要从设计时开始就要贯彻节约环保的观念,首先要选择节能降耗的电机和变压器,其次选择的电机和变压器容量不能一味求大,要合适,使电机和变压器在接近满载的情况下工作,然后设计的供配电接线方式要灵活,方便倒换负荷,方便切除空载电机和变压器等等。另外在日常的运行及时根据负荷情况调整运行方式。

二、无功补偿装置的选择

当企业的自然功率因数不能满足电力部门的要求时,必须安装无功功率补偿装置。常见的无功补偿装置有并联电容器补偿装置(包括集中补偿、分组补偿、就地补偿等方式)、同步

调相机、静止无功补偿装置(SVC)、可控电抗器、柔性控制装置(STATCOM)等方式。 (一)无功补偿的分类

对于采用并联电容器进行无功补偿,按其在供电系统中安装的位置来分,可分为集中补偿、分组补偿、就地补偿等方式。

1.集中补偿,在高、低压配电所内设置若干组电容器组,电容器接在配电母线上,补偿该配电所范围内的无功功率,并使总功率因数达到所规定的值以上。这种补偿方式只能补偿高、低压母线之前(电源方向)线路上的无功功率,而对于配电母线以下的变压器和线路的无功功率不能起到补偿的作用,仍会有大量的无功功率在内部线路上流动,并且产生损耗。这种方式在钢铁企业中得到了广泛地应用,原因是它能起到补偿无功的作用,投资少,便于集中管理。 2.分组补偿,用电设备的实际负荷电流是每时每刻都在不断变化的,三班工作制工厂是如此,二两班制和一班制的工厂更是如此。最佳效益无功补偿目标值是由最大计算负荷(即半小时最大值)决定的,那么在负荷变低的情况下,电容器就要产生过补,这样就会产生母线电压过高,和过多的容性电流流回系统进而会增加系统线路和变压器上的功率损耗,因此应该采用跟随无功负荷变化(缓慢地平均变化),而自动投入或切除分组电容器自动功率因数补偿方式就比较适用。对于电机台数多,且成组投入或推出的情况多,是一种很好解决无功功率损耗的方式。这种方式在钢铁企业内正在逐步得到推广应用。

3.就地补偿,把无功补偿器直接接在异步电机旁或进线端子上。相当于把无功电源接到了异步电机旁,使异步电机所需要的大部分无功功率由无功就地补偿器供给,无功功率仅在异步电机和并联电容器之间流动,从而消除了无功电流在高、低压线路上的流动,减小了线路负载电流和损耗,这是一种最彻底的补偿方式。而且补偿装置会随着切除异步机而切除,不会产生过补偿的情况。对于异步电机容量较大,长期轻载运行和供电线路较长等情况,采用此种方式节电效果最显著。但对于频繁开停或正反转的异步电机等不要采用这种方式。

综上所述,集中补偿、分组补偿、就地补偿等方式各有所长,应根据实际情况来确定。建议采用三种方式相结合的设施,相互弥补,更好地发挥补偿效果。 (二)同步调相机

改变同步电动机的励磁电流的大小,可以控制它从电网中吸收无功功率或输出无功功率,根据这个原理制造出的调相机即为空载运行的同步电动机。调相机的价格、运行费用都较高,因此在钢铁企业中很少采用。但同步调相机可以按照无功负荷变化,而随时调整输出无功功率,而且可以欠励磁状态下进相运行吸收多余的无功,从而保持无功功率的平衡和电压稳定,因此在电力系统和发电厂得到了广泛使用。 (三)静止无功补偿装置(SVC)

有别于上述的功率自动调节,都是采用断路器分组投入或切除电容器组,SVC是采用晶闸管装置来取代了有触点的开关,从而使无功能够平滑地、连续地、快速地得以调节控制。在钢铁企业中,有大量的无功冲击负荷,例如:电弧炉、LF炉、轧机等,这些负荷变化的幅度和速率都很大,且功率因数都很低,但还各有其特点,例如电弧炉、LF炉的冲击负荷,三相不平衡,低次谐波含量高;轧机的冲击负荷三相基本平衡,高次谐波含量高。SVC通常由并联电容器组(或滤波器)和一个可调节电感量的电感元件组成。其补偿原理为:QL为无功负荷(变化的量),QC为SVC中固定的电容器组提供的无功功率(固定的量),QR为SVC中电抗器吸收的无功功率(随QL成反比例变化),这样使QL+QR-QC≈0。SVC有很多种类型,钢铁企业中当需要补偿冲击无功功率时,目前普遍使用的是TCR+FC型。 (四)可控电抗器

可控电抗器的原理是通过在带气隙变压器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流,改变变压器的二次侧注入电流的大小便可实现变压器主磁通的连续可调,从而实现变压器一次侧阻抗的连续可调。与现有的可调电抗器相比,当变压器

中带有气隙时,该基于磁通可控的可调电抗器没有饱和现象,不产生谐波并可以实现电抗值的无级可调。在钢铁企业中,可应用在代替SVC装置中的TCR。在TCR方案中,由于采用晶闸管调触发角的方式改变电感量,因此必然产生谐波,而采用可控电抗器则不会产生谐波。因可控电抗器造价较低,也可与并联无功补偿装置一起使用,实现无功功率平滑地、连续地、快速地调节控制。

(五)柔性控制装置(STATCOM)

STATCOM应用IGBT,在SVC装置基础上发展起来的无功补偿装置,克服了SVC由于呈恒阻抗特性,使得在电压低时,无法提供所需的无功支持,应付突发事件的能力较弱,而且占地面积大,过多的SVC易引发系统振荡的弊端。STATCOM的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定,在电压低时仍能提供较强的无功支撑,并且可从感性到容性全范围内连续调节,使得其无功输出相当于同容量SVC的1.4～2倍;因STATCOM的灵活调压,还可以大大减少变压器分接头的切换次数,从而减少分接头故障次数。另外,STATCOM还可以抑制电压闪变,提高系统暂态稳定水平,结合我国的国情和已有的技术,发展STATCOM应是解决我国电压稳定问题的有效手段。STATCOM 和SVC相比具有如下优势:

1.响应时间快,可达10ms～20ms,特别适合用在钢铁企业冲击无功变化较快的场所,如:电弧炉和LF炉;

2.不会引起谐振短路,虽然该装置仍然采用并联型结构,但是它与电网之间有连接电抗器,因此不会出现并联谐振现象;

3.可以吸收无功和发出无功,从感性到容性全范围内连续调节,该装置不仅可以应用在感性负荷场合,还可以应用在容性负荷的场合;

4.精准电压控制,该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外,还可以按照电压幅值来控制,确保用户获得的电压的平稳性,降低电压纹波;

5.具有自适应功能,实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应;

6.可同时对谐波和无功功率进行补偿,补偿无功功率时不需要储能元件,补偿谐波时所需储能元件的容量不大,且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。

有上可看出,STATCOM装置代表了现阶段无功补偿和电能质量控制的发展方向,值得我们进一步学习、研究和推广。

三、总结

钢铁企业无功补偿的目的在于降低企业无功损耗,满足电力部门对电能质量的要求。要达到这个目的,应根据负荷的特性、电网的情况、结合企业本身的特点确定补偿的方式,经济、可靠、安全地用电,为企业生产服务。

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